镍钛记忆合金无柄股骨假体的生物力学研究

【摘要】  ［目的］评价新型记忆合金无柄股骨假体的生物力学特性。［方法］利用成人股骨的螺旋CT图像，使用CAD(计算机辅助设计)软件建立股骨的三维模型，根据股骨模型的结构设计新型记忆合金股骨假体。建立三维股骨模型、传统有柄假体及新型记忆合金无柄股骨假体有限元模型。在静态载荷及行走载荷下，对各种模型的Von Mises应力分布进行分析和比较。［结果］记忆合金无柄股骨假体股骨上的应力分布与正常股骨相近。记忆合金无柄假体股骨近端的应力明显大于传统有柄假体，与正常股骨的相近。记忆合金爪子本身的Von Mises应力最大值仅为13.23 MPa，应力分布较均匀没有应力集中的现象。［结论］(1）记忆合金无柄假体具有优良的生物力学特性能有效避免应力遮挡效应的发生；(2)记忆合金爪子的固定方式能达到既固定可靠又减少应力集中现象的目的。

【关键词】  镍钛记忆合金； 无柄股骨假体； 计算机辅助设计； 生物力学

Biomechanical study of NiTi shape memory alloy stemless femoral prosthesis ∥LIU Feng,LIN Yueqiu,RUAN Mo,et al.Orthopaedic Center of PLA,Kunming General Hospital of PLA,Kunming 650032,China

    Abstract：［Objective］To evaluate the biomechanical features of NiTi shape memory alloy stemless femoral prosthesis.［Method］Using CT(computer tomography) scanning photographs of adult femur,threedimensional model of the femur was built by CAD (computer aided design) software.Based on the the structure of femoral model,shape memory alloy stemless femoral prosthesis was designed.Threedimensional finite element model was created for the normal femur,NiTi shape memory alloy stemless femoral prosthesis,and traditional stemmed hip prosthesis.Under static loads and walking loads,the Von Mises stress distributions of each model were analyzed and compared.［Result］The stress distribution of shape memory alloy stemless femoral prosthesis was not obviously different from normal femur,stemless femoral prosthesis's proximal femoral stress  was close to that of normal femoral model but significantly higher than traditional stemmed hip prosthesis.Von Mises stress of memory alloy claws was distributed evenly,and the Max was only 13.23Mpa,there was no stress concentration.［Conclusion］(1) NiTi shape memory alloy stemless femoral prosthesis has great biomechanical properties,may reduce the stressshieding effect of the proximal femur.The fixed method that use memory alloy claws can make prosthesis fixed firmly to the bone and reduce stress concentration.

    Key words：NiTi shape memory alloy;  stemless femoral prosthesis;  computer aided design;  biomechanics

     髋关节置换术被公认为20世纪最成功和最具影响力的骨科手术。然而由于感染、脱臼、假体松动、骨溶解等原因而导致手术失败的病例也逐渐增多［1］。假体松动、下沉是髋关节置换术后最严重最常见的晚期并发症。目前认为，假体松动主要与应力遮挡、磨损微粒有关。台湾学者设计了无柄髋关节假体，并有学者通过实验证实其可以有效解决应力遮挡及骨溶解的问题［2］。无柄假体没有柄插入骨髓腔中，因此牢靠、有效的固定方式及良好的应力传导性对其显得格外重要。作者根据三维重建的股骨模型利用先进的CAD(计算机辅助设计)技术设计新型的记忆合金无柄髋关节假体，并对股骨模型、传统有柄假体及几种新型记忆合金无柄假体分别进行力学分析，分析和比较各种模型的应力分布。探讨新型记忆合金无柄股骨假体的生物力学特性，为无柄髋关节假体提出一种新的设计思路。

    1  材料与方法

    1.1  主要设备与软件

    螺旋CT机;计算机；光盘刻录机；彩色打印机；Materialise Mimics 10.01；Pro／E：UG。

    1.2  股骨三维实体模型的建立

    选取体检健康人体，沿人体纵轴行螺旋CT扫描，扫描层距为1.25 mm，图像存为DICOM格式，共扫描257层，光盘刻录输出。

    将DICOM格式的图像载入到Mimics软件中，重建出右股骨中上段三维模型，导出DXF格式模型。再将模型导入到UG软件中，利用UG软件中的截面曲线功能分别捉取股骨的内外轮廓线，然后以igs格式输出。

    将上述的igs格式轮廓线文件导入到PRO／E软件中，对每一层轮廓线进行B样条曲线拟和光顺处理。利用股骨轮廓曲线进行由线到面、由面到实体的逆向工程处理，重建形成股骨的三维实体模型。

    1.3  记忆合金无柄假体的设计及三维模型的建立

    在PRO／E软件中，首先沿着股骨头的下缘垂直于股骨颈的轴线截去模型的股骨头部分，在股骨颈周围的股骨模型上建立点，由点连成曲线作为假体罩体底边的形状。根据股骨模型结构同时考虑避开重要肌肉附着点来设计记忆合金爪子的位置、尺寸、方向及数量(图1)，分别设计了四个记忆合金爪子和六个记忆合金爪子的2种假体。根据股骨模型及解剖数据参数设计股骨头及中心钉的模型。

    图1  无柄股骨假体设计过程  1a.股骨三维实体模型体  1b.切除头部的股骨模型  1c.根据股骨模型结构设计假体  1d.记忆合金无柄假体

    1.4  传统有柄髋关节假体模型的建立及与股骨模型的装配

    在PRO／E软件中建立传统有柄髋关节假体模型，根据股骨三维实体模型骨髓腔的形状建立有柄假体的柄部模型，以保证假体与股骨紧密接触。然后将建好的有柄假体与股骨模型进行装配。

    1.5  生物力学分析

    1.5.1  有限元模型的建立  在PRO／E软件中结构分析模块中，分别对建好的各种模型进行力学分析。利用有限元分析功能对所建立的各种模型进行自动有限元网格划分。各种模型网格划分后所获得的单元及节点数见表1。

    1.5.2  对模型各个部分的材料赋值如下：将股骨包括皮质骨和松质骨均看成是各向同性的线弹性材料。皮质骨；弹性模量E=17.0  Gpa,泊松比μ=0.3松质骨：E：1.30 Gpa μ：0.3［3］。镍钛记忆合金：E=65.8 Gpa,μ=0.33［4］；钴铬钼合金：E=210 Gpa,μ=0.33；钛合金：E：110 Gpa,μ=0.33 ［5］。

    1.5.3  边界条件及载荷  采用简化模型进行分析，对模型采用自由度耦合处理。将模型远端界面的所有节点的自由度(x,y,z三个方向)设定为0。本研究采用2种简化载荷进行分析，其中记忆合金爪子所产生的回复力均设为220 N垂直作用于其与股骨的交界面［6］。

    表1  各种有限元模型的材料、节点数、单元数模型材  料节点数单元数模型一（股骨）（1）股骨158316571模型二（有柄模型）（1）股骨 （2）钴铬钼合金假体柄及头467113838模型三（1）股骨 （2）记忆合金罩体及爪子486314087（4爪无柄模型）（3）钴铬钼合金头及中心钉模型四（1）股骨 （2）记忆合金罩体及爪子499014516（6爪无柄模型）（3）钴铬钼合金头及中心钉模型五（1）股骨 （2）记忆合金罩体及爪子495314433（4爪无柄模型2）（3）钛合金头及中心钉

    (1）静态载荷：模拟人单足站立时的情况；以650 N的载荷垂直作用于股骨头。髋外展肌为260 N，方向与水平方向成60°夹角作用于股骨大转子。

    (2)步态载荷：模拟人正常行走、单足承重状态时的情况：忽略矢状面上各肌群的作用，髋关节的合力为1 588 N与人体的中轴线成24.4°角作用于股骨头。髋外展肌力为1 039 N于人体的中轴线成29.5°角作用于股骨大转子。髂胫束力为169 N与股骨的中轴线一致作用于股骨的外侧［7］。   

    2  结  果

    正常股骨，传统有柄假体及3种记忆合金无柄假体模型，经有限元分析后，其在静态载荷下Von Mises应力分布如图2。正常股骨，其应力传导主要是通过股骨颈将应力传至股骨的内外侧皮质，股骨近端的应力值在4.33～22.20 MPa之间。有柄髋关节假体的应力传导方式则是通过假体与髓腔的接触传力，在股骨干上的应力分布与正常股骨有较大的差异(图3)。其最大应力值在静态载荷下位于假体头颈接合处，股骨近端的应力值水平在静态载荷下约在5 MPa左右，在步态载荷下约为105 MPa左右。

    三种记忆合金无柄股骨假体模型的应力传导方式均是由罩体经股骨颈及罩体与股骨的接触面，将应力传至股骨的内外侧，其股骨上的应力分布与正常态股骨相近，而与有柄假体模型股骨上的应力分布有明显的差别。三种无柄假体模型在静态载荷下股骨近端的应力值均在12 MPa左右的水平，在步态载荷下在17 MPa左右水平。另外，在两种载荷下记忆合金爪子本身及其与股骨接触的部位的Von Mises应力最大值为17.46 MPa，最小值为5.21 MPa，并未出现应力集中的现象。

    模型3与模型4的主要区别是罩体上记忆合金爪子的数量不同。经对比二者的有限元分析结果发现，2种模型的应力特征基本一致(图3、4)。模型五在有限元的分析过程中，采用钛合金的参数给球头及中心钉的部分赋值，而其他假体采用钴铬钼合金参数赋值。结果示模型5其股骨颈及股骨近端相应部位节点的应力值略大于模型三的应力值。

    3  讨  论

    3.1  记忆合金无柄股骨假体其股骨上应力分布与正常股骨相近，而与传统有柄假体股骨上的应力分布有明显的差别。不论是在静态载荷下还是在步态载荷下记忆合金无柄假体股骨近端的应力值均明显的高于有柄假体近端的应力值。说明记忆合金无柄假体较有柄假体能更好的将应力传导至股骨，从而可以有效减少应力遮挡的发生，减少假体松动、下沉等并发症的发生。表2  5种模型最大应力及股骨近端应力水平最大应力（MPa)静态步态股骨内侧近端应力

    3.2  单纯依靠螺钉固定的无柄股骨假体容易出现应力集中的现象，且应力集中现象随螺钉及螺孔的数量增加而更加［8］。记忆合金无柄假体其固定方式为中心钉固定加记忆合金爪将罩体固定于股骨上。结果示，记忆合金爪子及其与股骨接触的部位应力值较小，没有产生应力集中的现象。记忆合金爪子在体温环境下所产生的高达约200 N的回复力可以将罩体牢固的与股骨皮质固定。相对于传统无柄假体采用松质骨螺钉固定于大、小转子上的固定方式，记忆合金爪子的固定方式更牢固、可靠。因此中心钉结合记忆合金爪子的固定方式即可以达到可靠、牢固的目的，又可以减少应力集中现象的发生。

    3.3  模型三与模型四的区别在于前者罩体上设计4个记忆合金爪子，后者则设计为有6个记忆合金爪子。模型三与模型四在两种载荷下股骨上的应力分布基本一致。两种模型股骨近端的应力值水平相差较小。罩体上采用4个记忆合金爪子或6个记忆合金爪子对股骨上应力分布没有明显的影响，考虑到成本、加工及手术操作等因素，最后将罩体上有4个记忆合金爪子的假体作为最后的设计方案。

    3.4  大量的研究证实，低弹性模量的金属材料与人骨接近，其引起应力遮挡的趋势就小［5］。对模型五分析研究的目的在于从材料方面着手进一步对记忆合金假体进行优化设计，经分析，模型五在两种载荷下股骨近端的应力值较模型三略高近10％。说明应用钛合金代替钻铬钼材料制造无柄假体中心钉及球头等假体部件具有更佳生物力学传导特性。   

    3.5  无柄假体罩体的形状是在计算机环境下根据股骨解剖结构设计的。在静态载荷下无柄假体罩体上的应力值水平在14 MPa左右且应力分布均匀。其与股骨骨皮质界面节点的应力最大值仅为16.73 MPa，这说明假体与股骨解剖形状匹配良好，达到设计过程中尽可能罩体底边与股骨多点支撑的目的。无柄假体罩体的底部覆盖了全部股骨颈和大转子的区域，使得由磨损而产生的微粒不能达到股骨的内部，从而防止骨溶解现象的发生。

【参考文献】
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［5］ 李 伟，陆 皓，孙 康，等．复合材料与金属材料髋关节假体应力分布的有限元分析［J］．生物骨科材料与临床研究，2005,3：14.

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作者单位：成都军区昆明总医院全军骨科中心， 昆明